Jesteśmy na dobrej drodze, by zrozumieć, jak powstało życie na Ziemi

Mariusz Gogól: Pierwszym biochemikiem na Ziemi było Słońce?

Rafał Szabla: Na pewno – kluczowym. W ostatnich latach dowiedzieliśmy się bardzo dużo na temat reakcji chemicznych, które umożliwiły powstanie podstawowych cegiełek budujących życie – i przekonaliśmy się, że światło słoneczne odegrało w tych reakcjach fundamentalną rolę. 

Przy czym nie całe światło słoneczne jest głównym bohaterem tej opowieści, tylko pewien jego wycinek – ultrafiolet. Fizycznie światło zawiera fale elektromagnetyczne o różnej długości. Ultrafiolet to fale stosunkowo krótkie. Promieniowanie UV mogło zainicjować wiele reakcji prowadzących do biocząsteczek, ponieważ atmosfera młodej Ziemi miała osobliwy skład. Chociaż zawierała parę wodną i dwutlenek węgla, które częściowo pochłaniały promieniowanie UV, to prawie wcale nie zawierała cząsteczkowego tlenu (O₂) oraz jego drugiej znanej formy – ozonu (O₃). To właśnie te gazy dzisiaj pochłaniają znaczną ilość promieniowania UV, zwłaszcza tzw. promieniowania UV-B i UV-C, czyli najbardziej energetycznej części ultrafioletu. 

Wyłania się więc z tego ciekawa historia: początkowo tlenu cząsteczkowego nie było, a promieniowanie UV pomogło w powstaniu życia. Później organizmy żywe zaczęły uwalniać tlen do atmosfery, który światło UV blokuje, a dzisiaj to samo promieniowanie jest najbardziej niebezpieczne dla organizmów żywych.

Rozstrzygnijmy to od razu: w jakim miejscu jesteśmy, gdy idzie o naszą wiedzę na temat narodzin ziemskiego życia? Czy mamy już drobiazgowe chemiczne scenariusze powstania żywego organizmu, ale jeszcze nie wiemy, który z nich zaszedł w rzeczywistości? Czy może nasza wiedza jest wciąż bardzo wybrakowana – czyli wiemy, jak przebiegały niektóre procesy, bez których życie nie mogło się obejść, ale wciąż nikt nie wymyślił, jak to wszystko ułożyć w całość? 

Wciąż mamy w tej dziedzinie więcej pytań niż odpowiedzi. Są jednak takie wątki, które udało nam się rozstrzygnąć. Pośród nich tym kluczowym wątkiem jest odnalezienie niebiologicznych i prawdopodobnych ścieżek syntezy wszystkich podstawowych cegiełek budujących życie. Dotyczy to elementów łańcuchów RNA, DNA, białek, a także lipidów. Coraz bardziej jasne dla nas jest też to, dlaczego to właśnie z tych cząsteczek – spośród setek innych potencjalnych kandydatów – powstało życie.

W jakim miejscu na Ziemi mogły zachodzić owe ważne dla powstania życia reakcje fotochemiczne? I skąd dzisiaj o nich wiemy?

Samoistne łączenie się pod wpływem Słońca ważnych dla życia prostych cząsteczek mogło zajść np. w niewielkich jeziorach lub lagunach. Dochodziło tam do parowania, które sprawiało, że zagęszczały się reagujące ze sobą związki chemiczne, takie jak cyjanowodór, siarkowodór, formaldehyd, dwutlenek siarki czy sole siarczanowe. Ekspozycja właśnie tych związków i ich dalszych produktów na promieniowanie UV prowadzi do powstania wszystkich podstawowych cząsteczek, które dalej mogły wejść w skład większych biomolekuł.

Fotochemicy mogą symulować takie warunki w laboratorium z wykorzystaniem lamp ksenonowych, których światło dobrze naśladuje promieniowanie elektromagnetyczne młodych gwiazd, w tym Słońca. Możemy też naświetlać mieszaniny chemiczne przy ściśle określonych długościach fali z wykorzystaniem innych źródeł światła. Właśnie w ten sposób poszukujemy odpowiedzi na pytanie, jakie dokładnie warunki sprzyjały powstaniu życia. 

Czy dla powstania życia miało znaczenie to, że Słońce było młodą gwiazdą? Stare gwiazdy nie mogą spłodzić życia? 

Na to pytanie jeszcze nie mamy odpowiedzi, bo do tej pory znamy tylko jeden przykład życia we wszechświecie. Wiemy natomiast, że młode gwiazdy są bardziej aktywne w zakresie ultrafioletu i emitują go więcej, i wiemy też, że właśnie ten zakres promieniowania gwiazdowego promuje chemię prowadzącą do znanych nam składników ziemskiej biochemii.

Dlaczego to światło jest takie ważne? Co zmienia w reakcjach chemicznych?

Reakcje fotochemiczne zachodzą po absorpcji, czyli pochłonięciu przez cząsteczkę chemiczną fotonu – porcji światła. Taki foton może pochodzić z zakresu światła widzialnego lub ultrafioletu. Ten proces jest w stanie na bardzo krótki czas (np. pikosekund, czyli bilionowych części sekundy) otworzyć cząsteczkom nowe ścieżki reakcji, które dla lepiej nam znanej konwencjonalnej chemii normalnie nie są dostępne. Obecność światła prowadzi więc do innych, często bardziej produktywnych reakcji niż te, które zachodziłyby bez takiego promieniowania.

Przy czym nie każda reakcja fotochemiczna jest z naszego punktu widzenia produktywna. Istnieje proces zwany fotodegradacją, czyli rozkład związków chemicznych pod wpływem światła, z którą przede wszystkim związane jest promieniowanie UV. Dlatego musimy się przed tym promieniowaniem zabezpieczać czy też trzymać leki nie tylko w suchym, ale i ciemnym miejscu, ponieważ ultrafiolet zmienia cząsteczki naszych leków w inne związki, które już nie są aktywne leczniczo, a nawet mogą być szkodliwe.

Od czego zależy to, czy dojdzie do fotodegradacji, czy do syntezy pod wpływem światła? 

Tzw. fotostabilność, czyli zdolność cząsteczek do zachowania swojej struktury w obecności światła, a także tendencja do fotodegradacji, to wewnętrzne własności danej cząsteczki organicznej. Zależą one głównie od typów wiązań w cząsteczce albo od tego, jak cząsteczka oddziałuje z innymi związkami w otoczeniu – np. z wodą. 

Fotochemicy, także ci, którzy badają początki życia, potrafią tymi własnościami w pewien sposób manipulować. Czasem nawet drobne zmiany w strukturze cząsteczki pozwalają znacząco zmieniać jej własności fotochemiczne.

Doskonałym tego przykładem są zasady azotowe w DNA: adenina, cytozyna, guanina i tymina, a także ich alternatywne formy, różniące się np. pojedynczym atomem czy przesunięciem miejsca wiązania chemicznego w cząsteczce od form biologicznych. Biologiczne zasady DNA i RNA są fotostabilne, zaś ich alternatywne formy w przeważającej większości ulegają zniszczeniu pod wpływem światła.

W laboratoriach badamy takie zmiany własności cząsteczek i dzięki temu możemy testować hipotetyczne ścieżki chemiczne powstawania lub degradacji różnych potencjalnych składników biomolekuł na młodej Ziemi.

Warto w tym kontekście przywołać też dobrze znane nam z życia codziennego zjawisko, jakim jest ekranowanie promieniowania ultrafioletowego. Otóż bardzo fotostabilne cząsteczki mogą absorbować część promieniowania UV i przetwarzać je na ciepło. Takie wychwycenie promieniowania zabezpiecza przed rozpadem mniej stabilne cząsteczki. Na tym właśnie polega mechanizm działania kremów do opalania z filtrem UV.

Fotostabilność zasad azotowych z DNA i RNA, które odpowiadają za kodowanie informacji genetycznej, była kluczem, który otwarł życiu drzwi na naszej planecie?

Wydaje się, że była ważna dla utrzymania tego życia, ale na pewno nie jest to cała historia. Choć przez kilka ładnych dekad chemicy badający początki życia sądzili, że to właśnie ze względu na fotostabilność zasad azotowych życie „wybrało” właśnie takie cząsteczki jak DNA i RNA spośród innych potencjalnych kandydatów. 

W szkole średniej uczymy się, że cegiełki RNA i DNA, zwane nukleotydami, zbudowane są ze wspomnianych już zasad azotowych, a także cukru (rybozy) i grupy fosforanowej. Myślano więc, że wystarczyło połączyć te trzy elementy, by życie powstało. Natura jednak nie łączy związków chemicznych tak, jak my sobie byśmy tego życzyli, i tego typu reakcje po prostu nie są w stanie dostarczyć nam gotowych łańcuchów RNA czy DNA.

Dziś wiemy, że mogły one powstać w bardziej skomplikowany sposób, właśnie podczas ekspozycji „prebiotycznej zupy” – czyli rozmaitych związków rozpuszczonych w niewielkich zbiornikach wodnych na młodej Ziemi – na promieniowanie UV.

Jak to się mogło dziać, pokazał niedawno krok po kroku zespół Johna Sutherlanda z Laboratorium MRC w Cambridge. To ścieżka reakcji, w której nukleotydy powstają stopniowo z niewielkich cząsteczek, układających się wokół chemicznego rusztowania, które łączy zasadę azotową z cukrem.

Sama informacja genetyczna, kodowana w DNA i RNA, to jeszcze nie życie – raczej przepis na życie. Najprostszy organizm – czyli pojedyncza komórka biologiczna, bo przecież innego życia nie znamy – potrzebuje jeszcze innych elementów, np. aminokwasów i lipidów. Znamy już sieci reakcji, w których te cegiełki życia mogłyby samoistnie powstać?

W wielu przypadkach – tak! Co ciekawe, te sieci reakcji oparte są o bardzo niewielkie cząsteczki, takie jak wspomniany cyjanowodór czy glikoaldehyd, nazywany też najmniejszym cukrem. Reakcje te zachodzą w wodzie i wymagają obecności soli siarczanowych i siarczkowych oraz fosforanów, które z kolei są dość pospolitymi związkami.

Co jest najbardziej zaskakujące, tak pozornie proste mieszaniny mogą umożliwić powstanie nukleotydów RNA, a także 12 z 20 występujących w biologii aminokwasów oraz prostych lipidów – właśnie przy ekspozycji na promieniowanie UV.

Jakie mogły być losy reagujących cząsteczek? Te reakcje zmierzały tylko do znanych nam cegiełek życia, czy oprócz nich powstaje też coś innego?

Z wielu przeprowadzonych eksperymentów, których celem było odtworzenie tego, jak mogła działać chemia prebiotyczna, widzimy, że liczba potencjalnych produktów takich reakcji była duża. Dlatego też o ostatecznej selekcji tych cząsteczek, które współtworzą znaną nam biologię i biochemię, musiało zadecydować wiele czynników.

Mówimy o selekcji, bo ten mechanizm przypomina darwinowską selekcję, która występuje w biologii. Warunki środowiskowe determinowały składy mieszanin produktów. To zresztą jeden z powodów, dla których zrozumienie powstania życia jest tak trudne. Z powodu cech ówczesnego środowiska pewnych cząsteczek powstawało więcej, innych mniej – a to prowadziło do „ewolucji” składników prebiotycznej zupy i warunkowało kolejne ważne dla życia sieci reakcji.

W takim razie gdyby zrobić „przegląd techniczny” kandydata na cegiełkę życia, jakie testy musi zdać: szybkość powstawania i rozpadu, może jakieś inne? Które cechy są najważniejsze?

Ważna jest, mówiąc ogólnie, selektywność syntezy, czyli powstawanie tej konkretnej cząsteczki w danej ścieżce reakcji przy niewielkiej liczbie produktów ubocznych.

Musimy pamiętać, że mówimy ciągle o „prebiotycznej zupie”, czyli mieszaninie wielu związków w wodzie, a nie nowoczesnym laboratorium chemicznym, gdzie mamy odpowiednio czyste związki i wszystkie warunki pod ścisłą kontrolą. 

Dodatkowo: odporność na destruktywne warunki środowiskowe, takie jak temperatura, odporność na hydrolizę, czyli rozkład przez wodę, sposób zachowania w obecności wysokoenergetycznego promieniowania (UV). 

Ale to niejedyne wymogi. Ostatecznie, wyselekcjonowane zostały cząsteczki, które były czy są w stanie spełnić ściśle określone funkcje biologiczne – np. nadają się, tak jak RNA i DNA, do kodowania informacji genetycznej, co wymaga bardzo szczególnej struktury.

To zostańmy przy DNA i RNA. Dziś w naszych komórkach istnieją bardzo złożone i bardzo ważne dla naszego zdrowia mechanizmy, które odpowiadają za utrzymanie tych cząsteczek w stabilnym stanie i naprawianie pojawiających się w nich uszkodzeń chemicznych. Jak tak złożone cząsteczki zachowały stabilność poza środowiskiem komórki, zanim jeszcze powstało życie? 

Tu tkwi część magii DNA i RNA – ich struktura oraz odpowiednia sekwencja zasad azotowych zapewnia im pewną stabilność, a zwłaszcza odporność na promieniowanie. Naszym najnowszym odkryciem jest to, że określone sekwencje tych cegiełek w łańcuchach okazują się bardziej fotostabilne niż inne, a nawet mogą się w pewnym stopniu naprawiać same – bez udziału złożonych enzymów, które faktycznie są wytworem późniejszej i bardziej złożonej biochemii.

Na czym polegają te naprawy?

Samonaprawa DNA i RNA jest mechanizmem fotostabilizującym. Dotyczy ona długich łańcuchów DNA czy RNA, a nie małych cząsteczek czy ich cegiełek budulcowych. Gdy dojdzie do uszkodzenia cząsteczki, to określone sekwencje zasad azotowych mogą zaabsorbować kolejny foton promieniowania UV. A on może pozwolić na naprawę, np. w ten sposób, że pod wpływem fotonu dojdzie do przekazania elektronu w kierunku tego uszkodzenia.

Co ciekawe, wydajność tego procesu naprawy jest mocno zależna od sekwencji, czyli kolejności zasad azotowych DNA. Przykładowo, takie sekwencje zasad jak GATT (czyli kolejno: guanina, adenina, tymina, tymina) są w stanie bardzo efektywnie naprawiać tego rodzaju uszkodzenia. GATT jest właśnie bardzo powszechną sekwencją w znanych nam biologicznych strukturach DNA. Lubię myśleć, że to swoista „molekularna skamielina” – pozostałość po czasach, kiedy nie istniały złożone mechanizmy naprawy DNA i cząsteczka ta musiała „radzić sobie sama”.

Jaka najprostsza wiarygodna opowieść o początku życia wyłania się dziś z tych wszystkich danych, którymi dysponujecie?

Opowieść o początku życia jest pod wieloma względami bardzo złożona. Ale możemy spróbować ją trochę uprościć i skupić się na konkretnych aspektach. Np. dziś już jesteśmy sobie w stanie wyobrazić kilka scenariuszy, w których mogły powstać komponenty RNA, DNA, białek i lipidów. 

Z tych wszystkich scenariuszy ten podkreślający udział promieniowania UV wydaje się najbardziej atrakcyjny, ponieważ właśnie taka chemia daje największe wydajności i selektywności dla syntezy podstawowych komponentów biologii. Na pewno ogromnie ważne było także to, że woda jest głównym rozpuszczalnikiem na Ziemi, który jest doskonałym środowiskiem dla kwasów nukleinowych – DNA i RNA. 

Wiemy, że życie powstało na Ziemi w szczególnych warunkach. Czy chemia, którą się zajmujesz, ma zastosowanie tylko do ziemskiego życia? Czy może zbliża nas także do odpowiedzi na pytanie o to, czy życie mogło powstać również na innych planetach, na których z pewnością nie panują dokładnie takie warunki, jak na młodej Ziemi?

Głównym celem chemii prebiotycznej jest pokazanie możliwych scenariuszy, w jakich biocząsteczki mogły powstać na młodej Ziemi, oraz tego, w jaki sposób wyłoniły się tu złożone procesy biochemiczne. 

To wciąż ogromne wyzwanie. Np. do tej pory nie wiemy, jak i dlaczego RNA zaczęło przybierać takie funkcje, jakie obecnie pełni w biologii – syntezę białek czy katalizowanie reakcji.

Konstruujemy różne scenariusze, ale trudno je falsyfikować czy wybierać spośród nich najlepszy, ponieważ nasza wiedza na temat warunków środowiskowych młodej Ziemi jest ograniczona. A to właśnie warunki determinują to, czy dany scenariusz mógł zajść.

Natomiast samo pokazanie, że dany scenariusz powstawania funkcjonalnych biomolekuł jest prawdopodobny, ma w istocie ogromne znaczenie dla lepszego rozumienia tego, czy gdzieś w innych zakątkach naszej galaktyki lub wszechświata życie również mogło powstać. Dzięki temu lepiej wiemy, jakie planety mogą być dobrymi kandydatami na to, by zrodziły własne życie. 

Dodałbym, że nasza praca ma też bardzo istotne implikacje dla biologii syntetycznej, której celem jest budowa alternatywnych komórek albo rozważanie pytania, czy informacja genetyczna mogłaby być przechowywana przez zupełnie inne cząsteczki niż DNA albo zapisywana w nieco innym „języku”. 

Skoro wiemy już, jak mogło powstać wiele ważnych dla życia cząsteczek – to co dalej? Czego teraz musimy się dowiedzieć, żebyśmy zrozumieli powstanie życia krok po kroku?

Kolejnym ogromnym wyzwaniem przed nami jest określenie, jak te podstawowe cegiełki życia – zasady azotowe, aminokwasy, lipidy – a nawet krótkie cząsteczki RNA czy niewielkie białka, tzw. peptydy, uzyskały biologiczną funkcjonalność. Czyli jak zorganizowały się w coraz to bardziej złożone sieci reakcyjne, które były w stanie same podtrzymywać swoje funkcjonowanie w środowisku młodej Ziemi. 

To pytanie można zadać jeszcze inaczej: jaka jest minimalna forma biochemii, która jest w stanie spełniać chociażby część cech organizmu żywego? Przed nami jeszcze wiele lat badań, które przyniosą wiele ciekawych zaskoczeń.

Dr hab. RAFAŁ SZABLA jest fotochemikiem. Pracuje na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Specjalizuje się w badaniu reakcji chemicznych, które mogły umożliwić powstanie życia z materii nieożywionej.